Los implantes magnetoeléctricos permiten la restauración remota de la función nerviosa – Physics World

Los implantes magnetoeléctricos permiten la restauración remota de la función nerviosa – Physics World

Marca de tiempo: 1 de noviembre de 2023 8:05 a. M.

Josué Chen
Nuevo metamaterial El alumno de doctorado de la Universidad Rice, Joshua Chen, y sus colegas diseñaron un material magnetoeléctrico que puede estimular directamente el tejido neural y cerrar las brechas en los nervios rotos. (Cortesía: Gustavo Raskosky/Universidad de Rice)

Investigadores de la Universidad Rice en Estados Unidos han desarrollado un implante inalámbrico que estimula las neuronas en respuesta a pulsos magnéticos. Para permitir la operación remota, el equipo diseñó un metamaterial novedoso que convierte campos magnéticos externos en señales eléctricas que pueden transmitirse a través de los nervios. En un estudio publicado en Nature Materials, Primer autor Josué Chen y sus colegas demuestran que el dispositivo puede restaurar la función nerviosa en ratas. Proponen que esta nueva clase de materiales podría facilitar tratamientos médicos menos invasivos para afecciones neurológicas y de salud mental.

Se ha explorado la estimulación del sistema nervioso con campos eléctricos para tratar una variedad de trastornos, incluida la enfermedad de Parkinson y la depresión. Se implanta un electrodo en el cerebro o nervio y se conecta mediante cables a un dispositivo externo que envía señales eléctricas al tejido objetivo. El objetivo de esta última investigación era construir un implante que funcionara de forma remota y requiriera una cirugía menos invasiva.

"Hay un beneficio terapéutico que estamos tratando de lograr, sin necesidad de colocar un gran dispositivo dentro del cuerpo", explica el neuroingeniero. jacob robinson quien lideró el proyecto.

Un implante de este tipo necesitaría enviar una señal a las células en respuesta a un estímulo externo, y hacerlo con tiempos de retraso de milisegundos, y al mismo tiempo sería lo suficientemente pequeño como para ofrecer una respuesta específica. Esta combinación de propiedades no se encuentra en la naturaleza ni en los materiales de ingeniería existentes.

Cumplir con los requisitos de la estimulación neuronal remota

Los campos magnéticos penetran profundamente en el cuerpo pero estimulan las células de manera menos eficiente que los campos eléctricos. Para permitir una respuesta celular remota, el equipo diseñó un metamaterial magnetoeléctrico que convierte una señal magnética alterna en un campo eléctrico. A cada lado del dispositivo hay una capa de material que produce una tensión en respuesta a un campo magnético, y en el centro hay un material piezoeléctrico que produce un campo eléctrico en respuesta a una tensión.

Otros científicos han estudiado materiales magnetoeléctricos para la estimulación remota de neuronas, pero estos dispositivos han sido demasiado lentos para imitar la señalización neuronal. Para minimizar los tiempos de retardo, el material debe funcionar a su frecuencia de resonancia, que generalmente es de unos pocos cientos de kilohercios. Las membranas de las células nerviosas, sin embargo, filtran las señales de alta frecuencia, por lo que los dispositivos anteriores se han alejado de la resonancia.

La idea que desarrolló el equipo fue que el implante podría diseñarse para estimular las células mientras impulsaba el material en resonancia al convertir la corriente en el dispositivo de CA a CC. Para lograr esto, depositaron un diodo de película delgada sobre el metamaterial de modo que la corriente durante el funcionamiento con CA fluya principalmente en una dirección, lo que resulta en una polarización de CC.

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Como prueba de concepto, los investigadores demostraron que el dispositivo podría usarse para restaurar la función nerviosa en un modelo animal. Colocaron el implante en un nervio ciático cortado en la pata de una rata y demostraron que la aplicación de un pulso magnético estimulaba los músculos del pie del animal. El implante logró un tiempo de retraso objetivo de 5 ms, lo que equivale a las velocidades de comunicación neuronal del cuerpo.

Restaurar la conducción a través de un nervio cortado
Cubre la brecha Esquema que muestra cómo el implante puede ayudar a restaurar la conducción a través de un nervio ciático cortado in vivo (Cortesía: JC Chen et al Nat. Madre. doi.org/10.1038/s41563-023-01680-4)

El dispositivo logra una manipulación electromagnética que no se puede replicar con materiales naturales. Los investigadores planean investigar si el implante se puede miniaturizar a micro o nanoescala, lo que permitirá su uso en el cerebro y potencialmente en forma inyectable.

Robinson añade que también están considerando otras aplicaciones, como fuentes de energía, donde se podrían aprovechar nuevos efectos magnetoeléctricos. "Creo que existe toda una clase de metamateriales que podemos crear, donde la relación entre el campo magnético y el campo eléctrico es nuestra para diseñar", dice.

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